1、 I 河北机电职业技术学院 2011 级 电气工程系 毕业设计 应用电子技术 1101 II 基于单片机的数字钟设计 摘 要 基于单片机的定时和控制装置在许多行业有着广泛的应用，而数字钟是其中最基本的，也是最具有代表性的一个例子。 在基于单片机系统的数字钟电路中，除了基本的单片机系统和外围电路外，还需要外部的控制和显示装置。本电路主要以单片机 AT89S52为核心而设计的，通过单片机对信息的分析与处理，控制外围设备。系统由复位模块、时钟模块、温度模块、音乐模块、显示 模块共五个模块组成，后来在时钟模块的基础上又加载了日历、星期的模块。 本设计以 单片机 AT89S52为切 入 点 ，通过使用
2、AT89S52的内部的可编程定时器 /计数器，结合对外接晶振的调节来确定一个合适的振荡周期，从而确定出内部的机器周期。再通过对内部中断程序的设置来设计出时钟程序，即设计出了电子时钟的核心。 然后在核心电路的基础上设计出了相应的扩展电路，使本设计更加实用 。 关键词 ： 单片机；数码显示；温度传感器 III 目 录 1. 引言 . 1 2. 关于单片机 . 2 2.1单片机的发展 . 2 2.2 单片机的开发背景 . 错误 !未定义书签。 2.3 AT89S52 单片机 . 5 2.3.1 AT89S52 单片机引脚功能 . 6 2.3.2 AT89S52 单片机硬件结构的特点 . 7 2.3.
3、3 AT89S52 单片机的硬件原理 . 8 3. 方案设计与论证 . 10 4. 系统总体结构框图 . 11 5. 系统的硬件设计 . 12 5.1 显示部分电路的设计 . 12 5.1.1 LED 数码显示管的基本原理 . 12 5.1.2 数码管显示模块分析 . 12 5.1.3 LED 显示电路 . 13 5.2 控制部分电路的设计 . 14 5.2.1 时钟模块 . 14 5.2.2 温度模块 . 14 5.2.3 音乐模块 . 14 5.2.4 复位模块 . 14 6. 系统的软件设计 . 15 6.1 各模块的程序设计 . 15 6.1.1 计时程序 . 15 6.1.2 定时闹
4、钟程序 . 16 6.2 系统程序设计的总体框图 . 17 7. 系统电路的制作与调试 .18 7.1 电路硬件焊接制作 .18 7.2 调试的主要方法 .18 IV 7.3 系统调试 .18 7.3.1 硬件调试 18 7.3.2 软件调试 19 7.3.3 联机调试 19 7.3.4 调试 中遇到的问题及解决方法 .19 结论 21 附录 1 数字钟电路图 .22 附录 2 程序清单 .23 附录 3 资料 .30 致谢 40 河北机电职业技术学院 1 1. 引言 20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信
5、息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误 可能酿成大祸。例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。注射后，一般等待 5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。所以，要制作一个定时系统。随时提醒这些容易忘记时间的人。 钟表的
6、数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关 烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 基于单片机的定时和控制装置在许多行业有着广泛的应用，数字钟作为其中最基本的一个应用实例，具有结构简单应用广泛的特点。数字钟中使用了单片机中最为常用的输入输出设备按键开关和数码管；数字钟程序主要应用单片机的定时器和中断实现计时和显示功能。当今数字种作为一个单元电路被广泛应用于电子表、电子万年历等产品中，带
7、来广泛的经济效益。 目前 的 单片机 产品普遍要求体积小、重量轻，这就 要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS公司的产品， ATMEL公司的产品和中国台湾的 Winbond系列单片机。所以 C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC精简指令集 (RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的 HOLTEK 公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片
8、机。在一定 的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。 单片机的可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是一种明显的走向。单片机从功能上讲可以说是万用机 。 目前，单片机正朝着高性河北机电职业技术学院 2 能和多品种方向发展，趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。当今，单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。单片机也广泛地用于各种实时控制系统 中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武
9、器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟 电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制
10、技术的一次革命。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步。在不久的将来，最终单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。 2.关于单片机 2.1 单片机的发展 单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表 、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用 CMOS 工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度
11、范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。而现在单片机在液晶显示上也有了很多的应用。 随着科技不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生 ,由于液晶显示器（ LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势 ，在近年来价格不断下跌的吸引下，逐渐取代 CRT 之主流地位，显示器明日之星架势十足。液晶显示器件从初期的实验室到现在的生产厂家，已形成较大规模的生产能力，使液晶显示形成了独立的产业部门。而今，液晶显示已经应用于人们生产、生活中的各个河北机电职业技术学院 3 领域，人们时时处处都要与这一神奇而又
12、普通的产品打交道。液晶显示技术以它跨越多学科的工作原理，高技术、专业化的制造工艺使它披上了一层神秘的面纱，而它轻巧薄形的体态，独特而理想的性能以及广泛的应用价值，又使它充满魅力，深深地吸引着人们。 在单片机技术日趋成熟的今天，其灵活的硬件电路的设 计和软件的设计，让单片机得到了广泛的应用，几乎是从小的电子产品，到大的工业控制，单片机都起到了举足轻重的作用。单片机小的系统结构几乎是所有具有可编程硬件的一个缩影，可谓是“ 麻雀虽小，肝胆俱全 ” ，单片机的学习和研究是对微机系统学习和研究的简捷途径。 在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高 ，因此，单片机也在不断的发展和进步。 单
13、片机的技术进步 主要 反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。下面分别就这 三 个方面说明单片机的技术进步状况。 （ 1）内部结构的进步 单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器， A/转换器， D /A 转换器，串行通信接口， Watchdog 电路， LCD 控制器等。 有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块 CAN。例如， Infineon 公司的 C 505C， C515C， C167CR， C167CS-32FM， 81C90； Motorola公司的 6
14、8HC08AZ 系列等。特别是在单片机 C167CS-32FM 中，内部还含有 2 个 CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络 。特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。 为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有 Fujitsu公司的 MB89850 系列、 MB89860 系列； Motorola 公司的 MC68HC08MR16、 MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有 6 个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。 （ 2）功耗、封装及电源电压的进步
15、 现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设 置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。 Philips 公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为 1.5 mA，而在节电方式中，其功耗只有 0.5mA。而在功耗上最令人惊叹的是 TI公司的单片机 MSP430 系列，它是一个 16位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有 LPM1、 LPM3、 LPM4三种。当电源为 3V时，如果工作于 LMP1方式，即使外围电路处于活动，由于 CPU不活动，河北机电职业技术学院 4 振荡器处于 1 4MHz，这时功耗只有 50?A。在
16、LPM3 时，振荡器处 于 32kHz，这时功耗只有 1.3?A。在 LPM4 时， CPU、外围及振荡器 32kHz都不活动，则功耗只有 0.1?A。 现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。在这种形势中， Microchip公司推出的 8引脚的单片机特别引人注目。这是 PIC12CXXX系列。它含有 0.5 2K程序存储器， 25 128字节数据存储器， 6个 I/O端口以及一个定时器，有的还含 4道 A/D ，完全可以满足一些低档系统的应用。扩大电源电压范围以及在较低电压下 仍然能工作是今天单片机发展的目标之一
17、。目前，一般单片机都可以在 3.3 5.5V 的条件下工作。而一些厂家，则生产出可以在 2.2 6V的条件下工作的单片机。这些单片机有 Fujitsu公司的 MB89191 89195， MB89121 125A， MB89130 系列等，应该说该公司的 F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足 2.2 6V的工作电压条件。而 TI公司的 MSP430X11X 系列的工作电压也是低达 2.2V的。 （ 3） 工艺上的进步 现在的单片机基本上采用 CMOS 技术，但已经大多数采用了 0.6?m 以上的光刻工艺，有个别的公司，如 Motorola 公司则已采用 0.35?m 甚至是 0.25?m 技
18、术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。 单片机在目前的发展形势下 ， 可靠性及应用越来越 高的 水平和互联网连接已是一种明显的走向 。 所集成的部件越来越多； NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。 功耗越来越低和模拟电路结合越来越多 也将会成为单片机的一个发展的方向 。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。
19、2.2 单片机的开发背景 现代工业控制和一些智能化仪器仪表中 ,越来越多的场所需要用点阵图形显示器显示汉字。液晶显示器 是人与机器沟通的重要界面， 而且液晶显示器也有如下特点，开发出来会有很大的应用空间。液晶显示器 目前发展最快， 也已经 成为电子信息产业的支柱性产业之一，受到普遍关注与重视。 那么液晶显示器与传统的显示器相比，到底有什么新的特点呢 ? 质量高 由于液 晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而 不像 阴极射线管显示器（ CRT）那样需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器画质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳降到最低。 没有电磁辐射 传统显示器的显示材料是荧光粉
20、，通过电子束撞击荧光粉而显河北机电职业技术学院 5 示，电子束在打到荧光粉上的一刹那间会产生强大的电磁辐射，尽管目前有许多显示器产品在处理辐射问题上进行了比较有效的处理，尽可能地把辐射量降到最低，但要彻底消除是困难的。相对来说，液晶显示器在防止辐射方面具有先天的优势，因为它根本就不存在辐射。 可视面积大 对 于相同尺寸的显示器来说，液晶显示器的可视面积要更大一些。液晶显示器的可视面积跟它的对角线尺寸相同。阴极射线管显示器显像管前面板四周有一英寸左右的边框不能用于显示。 应用范围广 最初的液晶显示器由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。而随后出现的 DSTN 和 TFT 则被广泛制
21、作成电脑中的液晶显示设备，DSTN液晶显示屏用于早期的笔记本电脑； TFT 则既应用在笔记本电脑上（现在大多数笔记本电脑都使用 TFT 显示屏），又用于主流台式显示器上。 画面效果好 与传统显示器相比，液晶显示器一开始就使用纯平面 的玻璃板，其显示效果是平面直角的，让人有一种耳目一新的感觉。而且液晶显示器更容易在小面积屏幕上实现高分辨率。 数字式接口 液晶显示器都是数字式的，不像阴极射线管彩显采用模拟接口。也就是说，使用液晶显示器，显卡再也不需要像往常那样把数字信号转化成模拟信号再行输出了。理论上，这会使色彩和定位都更加准确完美。 体积小 传统的阴极射线管显示器，后面总是拖着一个笨重的射线管。
22、液晶显示器突破了这一限制，给人一种全新的感觉。传统显示器是通过电子枪发射电子束到屏幕，因而显像管的管颈不能做得很短，当屏幕增加时也必然 增大整个显示器的体积。而液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使屏幕加大，它的体积也不会成正比的增加，而且在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 功率消耗小 传统的显示器内部由许多电路组成，这些电路驱动着阴极射线显像管工作时，需要消耗很大的功率，而且随着体积的不断增大，其内部电路消耗的功率肯定也会随之增大。相比而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比传统显示器也要小得多。 2.3 AT89S52 单片
23、机 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash ，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字河北机电职业技术学院 6 节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计
24、数器，一个 6 向量 2 级 中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM 、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 图 2-1AT89S52的引脚 2.3.1 AT89S52 单片机引脚功能 P0 口： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个TTL 逻辑电平。对 P0 端口写 “1” 时，引脚用 作高阻抗输入。当访问外部程
25、序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。 P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写 “1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。此外， P1.0 和 P1.2 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入（ P1.0/T2）和时器 /计数器 2的触发输入（ P1.1/T2EX） ，具体如下表所示。在 flash 编程和校验时， P1 口接收低 8
26、 位地址字节。 P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱2.3/0 PIN T6.3/ PWR3.3/1 PIN T0.1P1.1P2.1P3.1P4.1P5.1P6.1P7.1PPDVRS T /0.3/ PRXD1.3/ PTX D4.3/0 PT5.3/1 PT7.3/ PRD2X T A L1X T ALVs s1234567891011121314151617181920V c c0.0P1.0P2.0P3.0P4.0P5.0P6.0P7.0PVp pEA /P R O GAL E /PS E N7.2P6.2P5.2P4.2P3.2P2.2P1.2P0.2P212223242526272829303132333435363738394080 3180 5187 51V c cVs sPDVRS T /1XT A L2X T A LVp pEA /PS E NP R O GALE /P 3口第二功能P 0口P 1口P 2口地址数据总线地址总线8 0 3 18 0 5 18 7 5 1
